Neue Publikation in Nature Physics

Quantenmaterialien mit Licht gezielt steuern: Warum zwei Pulse besser sein können als einer

Unsere Studie in Nature Physics zeigt, wie sich die Bewegung von Atomlagen in einem Quantenmaterial durch eine gezielte zeitliche Abfolge von Lichtpulsen verstärken lässt. Der Ansatz eröffnet neue Möglichkeiten, funktionale Materialeigenschaften effizient zu kontrollieren.

„Work smarter, not harder!“ – dieses Prinzip gilt offenbar auch für die Steuerung von Quantenmaterialien mit Licht. Viele ihrer faszinierenden Eigenschaften hängen davon ab, wie die Atome im Kristall angeordnet sind. Mit ultrakurzen Laserpulsen lassen sich diese Strukturen gezielt verändern: Das Licht regt zunächst Elektronen an, deren veränderte Energie und Dynamik Kräfte auf die Atomkerne ausüben und dadurch atomare Bewegungen auslösen können. Solche Prozesse laufen innerhalb von Femtosekunden ab – einer millionstel Milliardstel Sekunde.

In unserer in Nature Physics veröffentlichten Studie untersuchten wir gemeinsam mit Forschenden der Universität Rostock sowie der ETH Zürich diesen Mechanismus in WTe₂, einem sogenannten Sliding-Ferroelektrikum. In solchen Materialien können benachbarte Atomlagen gegeneinander gleiten, ähnlich wie zwei aneinandergelegte Handflächen. Besonders spannend ist, dass sich durch die relative Bewegung der Atomlagen unterschiedliche Materialeigenschaften wie Ferroelektrizität und Topologie beeinflussen lassen.

Mehr Licht führt nicht immer zu mehr Bewegung

Naheliegend wäre es, für eine stärkere Verschiebung der Atomlagen einfach die Energie des Laserpulses zu erhöhen. Doch die Forschenden zeigen, dass diese Strategie an Grenzen stößt. Bei einer sehr starken Anregung werden Elektronen in hochenergetische Zustände angeregt, die der gerichteten Bewegung der Atome entgegenwirken. Die zusätzliche Lichtenergie führt dann nicht mehr zu einer entsprechend stärkeren Verschiebung der Atomlagen, sondern bremst sie regelrecht aus.

Anstatt die Intensität weiter zu erhöhen, wählten wir deshalb einen anderen Ansatz: Wir teilten die Lichtenergie auf zwei schwächere, zeitlich getrennte Pulse auf. Nach dem ersten Puls erhält das elektronische System Zeit, sich teilweise zu entspannen, bevor der zweite Puls eintrifft. Durch die gezielte Wahl der zeitlichen Verzögerung lässt sich die Gleitbewegung wie ein Kind auf einer Schaukel antreiben und die Einschränkung der Einzelpuls-Anregung überwinden. Die zeitliche Abstimmung eröffnet eine zusätzliche Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atombewegung optimal auszunutzen. Statt möglichst viel Energie auf einmal einzubringen, wird die Anregung an die Dynamik des Materials angepasst.

Neue Möglichkeiten für die Kontrolle von Quantenmaterialien

Unsere Ergebnisse könnten langfristig dabei helfen, technologisch relevante Eigenschaften wie die ferroelektrische Polarisation energieeffizient zu schalten. Besonders interessant ist dieser Ansatz für ultradünne Materialien wie WTe₂, die nur aus wenigen Atomlagen bestehen und neue Perspektiven für kompakte elektronische Bauelemente bieten.

Unsere Arbeit verdeutlicht damit ein grundlegendes Prinzip der Lichtsteuerung: Nicht unbedingt eine höhere Energie, sondern eine besser abgestimmte Anregung kann entscheidend sein, um die gewünschten Eigenschaften eines Materials zu erreichen. Oder anders gesagt: „Work smarter, not harder!“

Originalpublikation: Horstmann, J.G., Emeis, C., Caviezel, A. et al. Coherent phonon control beyond amplitude saturation in a sliding ferroelectric. Nat. Phys. (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03491-1